Jarosław WIATER Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny
tel.: 85 746 9979 e-mail: jaroslawwiater@we.pb.edu.pl
Streszczenie: W artykule zaprezentowano wyniki badań skutecznej odległości, dla której zapewniany jest wymagany poziom ochrony przeciwprzepięciowej urządzeń końcowych przy zastosowaniu ogranicznika przepięć typu 2. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem wysokonapięciowego generatora prądów udarowych. Weryfikację zalecanego odstępu przeprowadzono dla trzech różnych wartości prądu udarowego (8/20 µs) 5 kA, 11 kA, 15 kA oraz dla trzech różnych rodzajów obciążeń układu: żarówka, świetlówka, zasilacz impulsowy od komputera przenośnego. Normy [3,4] zalecają umieszczanie urządzenia końcowego w odległości do 10 metrów pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem. Przeprowadzone badania wykazują, iż odległość proponowana w normach jest za duża i zależy od charakteru obciążenia.
Słowa kluczowe: ogranicznik przepięć (SPD), badanie, odstęp maksymalny, instalacje elektryczne niskiego napięcia (nn).
1. WSTĘP
Jednym z problemów z jakim spotykają się projektanci instalacji elektrycznych, jest pytanie kiedy należy zaprojektować kolejny stopień ochrony przepięciowej. Jest to ważne w rozbudowanych instalacjach elektrycznych nowoczesnych wielokondygnacyjnych budynków mieszkalno-biurowych lub w przypadku obiektów przemysłowych. Ustanowione nowe edycje norm z zakresu ochrony odgromowej [3] oraz instalacji elektrycznych [4]
prezentują analogiczne podejście, ograniczając skuteczną odległość działania urządzeń ograniczających przepięcia (SPD) do około 10 m. Zwiększenie tej odległości jest możliwe, ale pod warunkiem spełnienia szeregu wymagań w zakresie napięciowego poziomu ochrony SPD oraz odporności udarowej chronionego urządzenia. W niektórych przypadkach wymagana jest również analiza zagrożenia przepięciami indukowanymi.
W artykule przedstawiono i porównano wymagania w zakresie konieczności stosowania kolejnych stopni SPD z aktualnych edycji norm [3,4]. Poddano weryfikacji laboratoryjnej skuteczność ochrony przeciwprzepięciowej urządzeń końcowych chronionych SPD umieszczonym w wymaganej normą [4] odległości 10 m.
2. WYMAGANIA NORMATYWNE W ZAKRESIE ODLEGŁOŚCI OCHRONNEJ
Wymagania stosowania środków zawarte zostały w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie Warunków Technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2]. Instalacja i urządzenia elektryczne, przy zachowaniu wymagań Polskich Norm odnoszących się do tych instalacji i urządzeń, powinny zapewniać ochronę przed przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi. W załączniku Z1 do rozporządzenia [2]
przywołane zostały Polskie Normy, których zastosowanie pozwala na spełnienie wymagań zawartych w w/w akcie prawnym.
W przypadku budynków wyposażony w urządzenie piorunochronne informacje o doborze i stosowaniu ograniczników przepięć chroniących przed udarami powodowanymi przez przepięcia atmosferyczne, podano w normie PN-EN 62305-4 [3].
Zgodnie z zapisami normy miejsce montażu SPD powinno uwzględniać wpływ określonego źródła uszkodzeń (wyładowania piorunowe w obiekt, w linię lub w ich pobliżu) oraz możliwości odprowadzenia prądu udarowego do ziemi (możliwie najbliżej punktu wejścia linii do obiektu).
Niższy poziom zagrożenia udarowego a tym samym większe bezpieczeństwo dla urządzeń zapewnia stosowanie skoordynowanego układu SPD. Jednak niektóre urządzenia mogą zawierać wewnętrzne SPD, których właściwości mogą wpływać na wymagania koordynacyjne. W budynkach z nieskoordynowanymi SPD jest możliwe wystąpienie uszkodzeń wewnętrznych urządzeń, jeżeli SPD od strony odbiorów lub SPD w obrębie urządzenia, przeszkodzi prawidłowemu działaniu SPD na wejściu linii do obiektu.
Zgodnie z załącznikiem C do PN-EN 62305-4 [3]
przyjmuje się, że urządzenie jest chronione zainstalowanym przed nim ogranicznikiem przepięć jeżeli tylko występuje odpowiednia zależność pomiędzy poziomem ochrony zapewnianym przez SPD i poziomem wytrzymałości udarowej urządzenia. Rozpatruje się przedstawione poniżej przypadki opisujące wzajemne rozmieszczenie ogranicznika przepięć i chronionego urządzenia:
a) długość obwodu między SPD i chronionym urządzeniem jest pomijalna (SPD zainstalowany jest przy zaciskach urządzenia),
b) długość obwodu między SPD i chronionym urządzeniem jest L < 10m (SPD zainstalowany został w piętrowej tablicy rozdzielczej albo przy gniazdku wtyczkowym), wtedy rzeczywisty poziom ochrony musi zapewniać warunek:
UP/F ≤ 0,8 Uw (1)
gdzie: UP/F – rzeczywisty napięciowy poziom ochrony, Uw – znamionowe napięcie udarowe urządzenia końcowego.
c) długość obwodu między SPD i chronionym urządzeniem jest L> 10 m (SPD zainstalowany na wejściu linii do obiektu lub głównej/piętrowej tablicy rozdzielczej) to konieczne jest uwzględnienie wpływu przepięć indukowanych Ui, wtedy rzeczywisty poziom ochrony musi zapewniać warunek:
UP/F ≤ (Uw – Ui) / 2 (2)
gdzie: Ui – napięcie indukowane.
W przypadku normy dotyczącej doboru i montażu SPD w instalacjach elektrycznych nn, nowa edycja arkusza PN-HD 60364-5-534 [4] nawiązuje do aktualnych zapisów zawartych w załączniku C do normy PN-EN 62305-4 [3].
W akapicie dotyczącym skutecznej odległości ochronnej zapewnianej przez SPD przyjęto, że ochrona przepięciowa jest skuteczna jeżeli odległość pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem jest nie większa niż 10 m. Jeżeli odległość między SPD a chronionym urządzeniem jest większa niż 10 m, należy zastosować dodatkowe środki ochrony, takie jak np.:
a) dodatkowy ogranicznik przepięć zainstalowany w blisko chronionego urządzenia, którego napięciowy poziom ochrony Up jest mniejszy od znamionowego napięcia udarowego Uw chronionego urządzenia,
b) zastosowane w złączu instalacji lub w jego pobliżu SPD o niższym napięciowym poziomie ochrony Up wraz z innymi środkami ochrony, jak np. ekranowane oprzewodowanie, we wszystkich chronionych obwodach.
Podobne zapisy występują w przypadku normy instalacyjnej PN-HD 60364-7-712 [5] zawierającej wymagania dotyczące fotowoltaicznych (PV) układów zasilania.
W instalacji elektrycznej dla części napięcia przemiennego (AC), gdzie wymagane jest zastosowanie SPD, a falownik znajduje się w odległości większej niż 10 m
od złącza instalacji, należy oprócz SPD znajdującego się w złączu instalacji – dodatkowo zainstalować SPD w pobliżu falownika.
W instalacji napięcia stałego (DC) ograniczniki przepięć powinny znajdować się jak najbliżej falownika. W przypadku odległości między wejściem kabla DC do budynku a falownikiem przekraczającej 10 m, mogą być wymagane dodatkowe SPD, poza falownikiem.
W rozległych instalacjach elektrycznych występuje zagrożenie wystąpienia przepięć wewnętrznych pomiędzy przewodami fazowymi oraz pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem neutralnym. W takim przypadku przepięcia pojawiające się na wejściu urządzenia mogą osiągnąć wartości szczytowe przekraczające jego wytrzymałość napięciową UW.
Zgodnie z normą [3] rozwiązaniem zapewniającym właściwe ograniczanie przepięć jest zastosowanie układu skoordynowanych ze sobą SPD – w tym też typu 3 przed bezpośrednio chronionym urządzeniem (rys. 1).
Rys. 1. Koordynacja energetyczna ochrony przepięciowej zgodnie z normą [3]
3. BADANIA LABORATORYJNE
Celem weryfikacji skuteczności ochrony przeciwprzepięciowej urządzenia końcowego dla zalecanego odstępu 10 metrów (pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem) przeprowadzono pomiary laboratoryjne.
Do tego celu wykorzystano wysokonapięciowy generator
prądów udarowych 8/20 µs. Schemat układu pomiarowego zamieszczono na rysunku 2. Zbudowane stanowisko pomiarowe odzwierciedla rzeczywistą instalację niskiego napięcia bez układów zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych, różnicowych. Napięcie N-PE wyznaczono poprzez matematyczne odjęcie L1-N i L1-PE.
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do badania skuteczności ochrony przeciwprzepięciowej dla trzech różnych rodzajów obciążeń.
Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN 2353-1290, Nr 64/2019
47
Weryfikację zalecanego odstępu przeprowadzono dla trzech różnych wartości prądu udarowego o kształcie 8/20 µs - 5 kA, 11 kA, 15 kA oraz dla trzech różnych rodzajów obciążeń układu:
a) żarówka (R), b) świetlówka (RL),
c) zasilacz impulsowy od komputera przenośnego (RC).
Zarejestrowane przebiegi napięć na wejściu poszczególnych rodzajów obciążeń zestawiono na rysunkach 3-11. Wraz ze wzrostem prądu generatora obserwowany jest wzrost napięcia na wejściu (UL1-N) wszystkich rodzajów obciążenia. W przypadku zasilacza impulsowego do laptopa obserwowane są wysokoczęstotliwościowe oscylacje zbocza narastającego napięcia. Przy prądzie na poziomie 15 kA wartość szczytowa napięcia osiąga wartość 1600 V (rysunek 4). W tym momencie na SPD chroniącym zasilacz występuje napięcie 1275 V. Obserwowany wzrost napięcia o 325 V na odcinku 10 metrów przewodu przekracza założony napięciowy poziom ochrony wynoszący 1500 V. Podobne zjawisko choć w mniejszej skali obserwowane jest dla obciążenia w postaci świetlówki. Pozwala to stwierdzić, iż charakter obciążenia wpływa na wartość szczytową napięcia na urządzeniu końcowym oddalonym o 10 m od SPD.
Przedstawione wyniki badań jednoznacznie wykazują, iż umieszczenie SPD w rozdzielnicy głównej jak i piętrowej jest w nie wystarczające z punktu widzenia ochrony przeciwprzepięciowej. Skuteczność ochrony, w niektórych przypadkach może być znikoma lub żadna. W dobie nagannych praktyk producentów sprzętu elektronicznego (programowanie zużycia) ochrona przeciwprzepięciowa winna uwzględniać powszechnie stosowany w praktyce dobrego inżyniera zapas technologiczny.
Rys. 3. Napięcie UL1-N na wejściu żarówki (1) dla prądu generatora 15 kA – nastawy oscyloskopu 300 V/div, 20 µs/div
Rys. 4. Napięcie UL1-N na zaciskach świetlówki (2) dla prądu generatora 15 kA – nastawy oscyloskopu 300 V/div, 20 µs/div
Rys. 5. Napięcie UL1-N na zaciskach zasilacza impulsowego (3) dla prądu generatora 15 kA – nastawy oscyloskopu 300 V/div,
20 µs/div
Rys. 6. Napięcie UL1-PE na zaciskach żarówki (1) dla prądu generatora 15 kA - nastawy oscyloskopu 200 V/div, 20 µs/div
Rys. 7. Napięcie UL1-PE na zaciskach świetlówki (2) dla prądu generatora 15 kA, nastawy oscyloskopu 200 V/div, 20 µs/div
Rys. 8. Napięcie UL1-PE na zaciskach zasilacza impulsowego (3) dla prądu generatora 15 kA - nastawy oscyloskopu 300 V/div,
20 µs/div Umax=1410 V
Umax=1680 V
Umax=1600 V
Umax=1410 V
Umax=2370 V Umax=1260 V
Rys. 9. Napięcie UN-PE na zaciskach żarówki (1) dla prądu generatora 15 kA - nastawy oscyloskopu 200 V/div, 20 µs/div
Rys. 10. Napięcie UN-PE na zaciskach świetlówki (2) dla prądu generatora 15 kA - nastawy oscyloskopu 200 V/div, 20 µs/div 4. WNIOSKI KOŃCOWE
Przedstawione w normach zalecenia dotyczące wymagań w zakresie odległości ochronnych pomiędzy układami SPD a obwodami wejściowymi chronionych urządzeń pozwalają zmniejszyć zagrożenie przepięciowe urządzeń oraz uprościć zasady doboru ograniczników przepięć w instalacjach elektrycznych. Szczególnie ważne jest osiągnięcie porozumienia przez poszczególne komitety techniczne IEC oraz CENELEC w zakresie ujednolicenia wymagań i przyjęcie jednej wartości granicznej odległości ochronnej wynoszącej 10 m.
Rys. 11. Napięcie UN-PE na zaciskach zasilacza impulsowego (3) dla prądu generatora 15 kA - nastawy oscyloskopu 300 V/div,
20µs/div
Przeprowadzone badania laboratoryjne pozwalają na stwierdzenie, iż odległość 10 m jest wielkością graniczną i dla niektórych rodzajów obciążeń może dojść do uszkodzenia chronionego zgodnie z normą urządzenia.
Mając na uwadze programowane zużycie (postarzanie) szczególnie urządzeń elektronicznych zaleca się stosowanie dodatkowych SPD do ochrony urządzeń już przy odległości 5 m pomiędzy zaciskami wejściowymi a poprzedzającym SPD. Szczególnie jest to istotne w przypadku urządzeń o wytrzymałości przepięciowej poniżej 2,5kV.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Sowa A.W.: Odległości pomiędzy urządzeniami do ograniczania przepięć a chronionym urządzeniem.
Materiały VI Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej – Urządzenia piorunochronne w projektowaniu i budowie. Kraków 2011.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2015 r. poz. 1422 i z 2017 r. poz. 2285.
3. PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa. Część 4:
Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach 4. PN-HD 60364-5-534:2016 Instalacje elektryczne
niskiego napięcia Część 5-534: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego Odłączanie izolacyjne, łączenie i sterowanie Urządzenia do ochrony przed przejściowymi przepięciami.
5. PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia - Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji - Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania